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天體是指宇宙空間的物質形體。天體的集聚,從而形成了各種天文狀態的研究對象。天體,是對宇宙空間物質的真實存在而言的,也是各種星體和星際物質的通稱。人類發射並在太空中運行的人造衛星、宇宙飛船、空間實驗室、月球探測器、行星探測器、行星際探測器等則被稱為人造天體。

(圖)天體天體

宇宙物質的任何集聚形成的各種天文研究對象。天體是就宇宙間物質的存在形式而言的,是各種星體和星際物質的通稱。如在太陽系中的太陽、行星、衛星、小行星、彗星、流星、行星際物質,銀河系中的恆星、星團、星雲、星際物質,以及河外星系、星系團、超星系團、星系際物質等。通過射電探測手段和空間探測手段所發現的紅外源 、紫外源 、射電源、X射線源和γ射線源,也都是天體。人類發射並在太空中運行的人造衛星、宇宙火箭、空間實驗室、月球探測器、行星探測器、行星際探測器等則被稱為人造天體。

1 天體 -概述

(圖)天體天體

天體,宇宙間各種星體的總稱。包括恆星(如太陽)、行星(如地球)、小行星、衛星(如月球)、彗星、流星、星雲、星系等。

白天高懸在遙遠天空的太陽,當然是最受人們所關注的對象,它發出的光和熱對地面萬物的生長是密切相關的。到了晚上,黑夜降臨后,那就更加熱鬧非凡。其中有大而圓的月球、劃破天空一閃而過的流星、帶著長長尾巴的彗星,以及眾多的一閃一閃亮暗不一的各種星星。

如果用望遠鏡去觀察,我們不可以看到更多的如小行星、行星的衛星,以及星雲、星系等。所有這些都是人們研究的對象。到了現在,除了那些自然天體之外,人們還發射了許多各式各樣的人造地球衛星、宇宙飛船、空間站、太空梭等,這些人造天體同樣是人們研究的對象和目標。

2 天體 -發現史

(圖)天體天體

很久很久以前,只要不是陰天,人們就可以在夜空中看到星星。在史前時代,地球上的大多數地區都幾乎沒有光污染,我們的祖先能夠看到非常暗的星光,其中的一些天體被今天的人們劃分為深空天體。這樣,這類天體中的一部分就和我們人類的歷史一樣古老了。

這類「天體」中最顯著的當然是一個星系,我們自己的銀河;然而我們不會把它計算在內。同樣的,我們也不會考慮最顯著的「移動」星團,大熊座星團,這個星團是由著名的「北斗七星」中的大部分恆星組成的,構成了大熊座中最顯著的部分。首先,大部分現代人並不把它們看成是「深空天體」,其次,它們的本質,比如銀河是個星系,大熊座的那些恆星是個物理上的星團,是直到現代才逐漸清楚的,因此這種忽視是恰當的。

一些明亮的星團一定也是很早就被人知道了,甚至比有記載的歷史還要早。其中當然包括金牛座中的昴星團(M45)和畢星團,它們在肉眼中也很顯著,很早就被記錄下來(比如最早關於昴星團的確切記錄是大約公元前1000到700年的Hesiod(赫西奧德)留下的)。在南半球,兩個麥哲倫雲(LMC -- 大麥哲倫雲,和SMC -- 小麥哲論雲)當然也是很早以前就被發現了,只是南半球沒有多少古代記錄被保存下來。

很可能Aristotle(亞里斯多德)在公元前325年左右就對疏散星團M41做了古代的觀測記錄;這使得這個星團成為古代觀測記錄中的最暗天體。按照Burnham的說法,根據P. Doig在1925年引用的一份J.E. Gore寫的聲明,Aristotle有可能在那一時期也觀測到了天鵝座的M39,將其描述為「彗星狀天體」。 Hipparchus(伊巴谷),著名希臘天文學家,公元前146年到127年在Rhodes進行觀測。他是第一位編寫星表的天文學家;他在公元前134年觀測到了一顆出現在天蠍座的「新星」,可能是這件事促使他編寫了這份星表。在他的星表中包括了兩個「雲霧狀天體」,鬼星團(M44)和英仙座的雙星團,後者現在被稱為英仙座h+chi(NGC 869+884,不在Messier星表中)。

(圖)天體天體

Ptolemy(托勒密),在他於公元127--151年編寫的Great Syntaxas中(通常被稱為天文學大成(Almagest)),列出了7個天體,其中3個是一般的星宿,並非物理的天體,2個是從Hipparchus那裡繼承過來的(M44和英仙座雙星團),還有2個是全新的:一個是位於「天蠍座毒刺後面的星雲」,現在被認證為顯著的疏散星團M7,它被一些現代的作者提議命名為「托勒密星團(Ptolemy's Cluster)」,另一個則是后發星團,現在被編為Melotte 111(但是不在Messier星表中)。

第一個被發現和記錄下來的真正的「星雲」天體是仙女座星系(M31),在公元905年左右被觀測到,在公元964年被波斯天文學家Al Sufi記錄在他的《恆星之書(Book of Fixed Stars)》中。他還提到了一個「雲霧狀恆星」,位於船帆座Delta星的北側超過2度的地方,這也是個相當顯著的疏散星團IC 2391,船帆座Omicron。書中還包括了Ptolemy的6個天體,以及狐狸座中一個新的「星宿」(事實上是Brocchi星團,Collinder 399,也被昵稱為「衣架星團」),因此他一共記錄了9個天體。

與這裡提到的其他深空天體不同,中國和北美洲(很有可能)的古代天文學家在1054年7月4日觀測並且記錄了一顆超新星的爆發;這顆超新星創造了蟹狀星雲(M1),最有趣的深空天體之一。

以後一直沒有發現新的深空天體,直到1519年,Magellan(麥哲倫)報告說看到了一大一小兩個麥哲倫雲。這使得1609年Galileo(伽利略)將望遠鏡引入天文以前,被人們觀測到的深空天體總數達到了11個,儘管當時Al Sufi的工作還不被大多數人知道。通過望遠鏡,伽利略發現鬼星團(M44)不是星雲,而是星團。 Nicholas-Claude Fabri de Peiresc(1580-1637)在1610年發現了第一個真正的星雲,獵戶星雲M42,這也是第一個用望遠鏡發現的深空天體。天主教會天文學家J.-B. Cysatus(1588-1657)在1611年獨立發現了M42,但在很長一段時間內,這個天體並不為大眾所知。此後不久,1612年,Simon Marius(1570-1624)發現了(獨立地重新發現)仙女座星系(當時的仙女座星雲,M31)。

Montechiaro公爵的宮廷天文學家Giovanni Batista Hodierna(1597-1660)編寫了一份包括40個條目的星表,這些都是他用簡單的放大20倍的伽利略式折射鏡發現的,其中包括19個真正的雲霧狀天體,這份星表於1654年在Palermo發表。但這段歷史長期被人遺忘,直到1980年代初期才被重新發現(由Serio,Indorato,Nastasi發表在the Journal of the History of Astronomy,第45卷(1985年2月)和第50卷(1986年8月)上)。這份星表中包括了獨立重新發現的仙女座星雲(M31),獵戶座星雲(M42),以及Brocchi星團,首次描述了英仙座Alpha移動星團,還至少包括了9個(很可能是13個,甚至可能是15個)真正由他發現的天體:確定由他發現的天體有M6,M36,M37,M38,M41,M47,NGC 2362,NGC 6231,以及NGC 6530(與礁湖星雲M8聯繫在一起的星團),很可能由他發現的有M33,M34,NGC 752,以及NGC 2451,可能由他發現的有NGC 2169和NGC 2175。

Christiaan Huygens(惠更斯)在1656年獨立地重新發現了獵戶座星雲M42,這一發現使這個天體廣為所知;他還發現了位於這個星雲內部的獵戶座四合星中的三顆恆星。

來自Dantzig的Johan Hevel或者Hevelke(更為熟知的名字是Hevelius(赫維留),1611-87)編寫了一份包含1564顆恆星的星表—《Prodomus Astronomiae》,和他的星圖《Uranographia》一起在他死後發表。他還總結了了一份包含16個條目的列表,其中2個是真正的天體(仙女座星系 M31和鬼星團 M44),其他14個都是星宿或者根本不存在。Derham和Messier花了大量時間去尋找這些「星雲」;Messier相信他認證出了其中一對位於大熊座的雙星(即M40)——現在我們知道,他認出的很可能不是 Hevelius看到的那對雙星。Hevelius還是第一個看見M22的人,但是通常人們認為這個人類最早知道的球狀星團是在1665年由Abraham Ihle發現的。

(圖)天體天體星圖

在John Flamsteed(1646-1719)發表於1712年,並在1725年修訂的星表《不列顛星表(Historia Coelestis Britannica)》中,提到了幾個「星雲」和「雲霧狀恆星」。其中大部分是當時已知的天體(后發星團Mel 111,英仙座h+chi雙星團,M31,M42),還有3個獨立發現的天體,包括重新發現的不為人知的Hodierna天體NGC 6530(與M8相聯繫的)和M41,以及一個他自己首先發現的天體,麒麟座12號星周圍的NGC 2244(與玫瑰星雲NGC 2237-9相聯繫的星團,兩者都不在Messier星表中)。

Gottfried Kirch(1639-1710),一位柏林的天文觀測者,以他對恆星和彗星的觀測而聞名,他在1681年發現了M11,在1702年發現了M5。

Edmond Halley(哈雷)(1656-1742)在1715年的皇家學會《Philosophical Transactions》上發表了一份包含六個「光點和光斑」的列表,其中包括了他自己發現的球狀星雲半人馬座Omega(1677年在Helena峰旅行時發現)和M13(1714年發現),還有之前已知的天體M42,M31,M22,和M11。

Jean-Jacques Dortous de Mairan(1678-1771),在1731年以前,發現了獵戶座大星雲北側一顆恆星周圍的星雲狀物質,後來成為了大家所熟知的M43(這個發現於1733年發表)。此後不久,John Bevis(1695-1771)發現了蟹狀星雲M1。他還創作了一份星圖,他自己稱之為不列顛星圖(Uranographia Britannica),完成於1750年,但是由於出版商的破產,只有一到兩本印刷本被製作出來,附帶的星表也從未發表過。Messier一定是得到了這本星圖的一份拷備,因為他在對M1,M11,M13,M22,M31,以及M35的描述中,曾經多次提到「英格蘭星圖(English Atlas)」。奇怪的是,Kenneth Glyn Jones卻將M35的發現歸功於1746年的de Cheseaux,儘管在這之前Bevis似乎就已經看見它了,因為它出現在他的星圖之中。

William Derham(1657-1735)在1733年的皇家學會《Philosophical Transactions》中公布了一張包含16個雲霧狀天體的列表,其中的14個來自於 Hevelius的星表,其餘兩個來自Halley的列表。其中只有2個天體是真實的(M31和M7),其他的不是不存在,就是無趣的星宿,這些假天體迷惑著其他使用這張列表的天文學家們(包括Messier在內);這張列表在1734年法國科學院《論文集》中再次發表,並且於1742年被收錄在de Maupertuis的《Discours sur la Figure des Astres》一書中。

(圖)天球天球

大約在1746年,Philippe Loys de Cheseaux(1718-51)觀測到幾個星團和「雲霧狀恆星」,將它們的位置編成了一份星表。按照Kenneth Glyn Jones以及《Webb協會深空觀測者手冊(Webb Society Deep-Sky Observer's Handbook)》,第3卷(疏散和球狀星團)的說法,其中的8個是首次發現的天體:IC 4665 (第2號,不確定),NGC 6633(第3號),M16(第4號),M25(第5號),M35(第12號,但是參看John Bevis那段的評論),M71(第13號),M4(第19號),和M17(第20號)。此外,他還獨立地重新發現了M6(第1號),NGC 6231(第9號)和M22(第17號)。De Cheseaux將列表交給了Reaumur,並且由他在1746年8月6日法國科學院中公布,但這份列表沒有以其他的形式發表過。這份星表直到1884年在Bigourdan對其進行調查研究之後,才開始被更多的人知道。除了觀測天空中的雲霧狀光斑之外,de Cheseaux還可能是第一個用公式表達出奧伯斯佯謬(Olbers' paradox)的人。 Jean-Dominique Maraldi(1709-88),也被稱為Maraldi二世,發現了兩個球狀星團:1746年9月7日發現了M15,1746年9月11日發現了M2。 Le Gentil(全名為Guillaume-Joseph-Hyacinthe-Jean-Baptiste Le Gentil de la Galaziere,1725-92)在1749年10月29日發現了M32,仙女座星系的伴星系。他還在那一年發現了氣體星雲M8,即礁湖星雲(這個星雲中的星團之前已經被Flamsteed發現了,參見前文),還可能發現了球狀星團NGC 6712。他還獨立地發現了Hodierna天體M36和M38。 Abbe Nicholas Louis de la Caille(即Lacaille,1713-62)於1751-52年旅行到南非,並且在那裡觀測了南天的恆星和深空天體,創造了幾個南天星座(其中的大部分仍在使用),編寫了包含42個條目的南天深空天體表,其中33個是真實的天體。它們之中的25個是首次發現,至少有兩個是獨立地重新發現的天體。Lacaille首先發現的天體主要包括船底座Eta星雲NGC 3372,球狀星團杜鵑座47(NGC 104),大麥哲倫雲中的蜘蛛星雲NGC 2070,以及旋渦星系M83,這是第一個被發現的本星系群以外的星系。 這是Charles Messier(梅西耶)(1730-1817)開始編寫他的星表之前發現的最後一個深空天體。1764年,Messier發現了M3,這是第一個由他首先發現的深空天體。此後的十多年裡,Charles Messier獨自一人尋找著星團和雲霧狀天體。在此期間,他發現了27個天體,其中25個是真正的深空天體(其餘兩個天體是人馬座的星雲M24和雙星M40)。

(圖)天體天體

此後一直到1781年,Messier自己還首先發現了另外18個雲霧狀天體(17個深空天體,加上一個四合星M73),使得他首先發現的天體總數達到43個,還有另外20個天體是獨立地共同發現的。

1774年底,Johann Elert Bode(波德)(1747-1826)成功地加入到尋找新雲霧狀天體的隊伍中來:他在這一年的最後一天(12月31日)發現了M81和M82,後來還發現了另外三個天體(1775年發現M53,1777年發現M92,1779年獨立發現M64)。 Bode編寫了一份包含75個條目的深空天體星表,於1777年發表在1779年《天文年曆(Astronomisches Jahrbuch)》上,標題為《迄今發現的雲霧狀恆星和星團總表》。然而,按照Kenneth Glyn Jones的說法,這張列表中充斥著大量從Hevelius和其他人那裡收集來的不存在的天體和星宿;它只包含了大約50個真實的天體。他後來發現的兩個天體,M92和M64,在1779年底被發表在1782年的年曆(Jahrbuch)上。另兩個由Bode獨立共同發現的天體,M48和IC 4665,被公布在他的星圖和星表——《Vorstellung der Gestirne》中,發表於1782年。 大約5年之後,1779年,當Messier和Bode仍然積極編寫他們的星表時,另外5個天文學家也帶著成功的深空天體發現加入到這個「俱樂部」中:圖盧茲的Antoine Darquier de Pellepoix(Darquier,1718-1802)在1月發現了環狀星雲M57,比Messier稍早一些;他們都是在追蹤彗星(1779年Bode彗星)時發現它的。英國天文學家Edward Pigott(1753-1824)在1779年3月23日發現了M64,只比Bode(1779年4月4日)早了12天,比Messier在1780年3月1日獨立地發現它早了將近一年。曾在1772和1778年間(因此可能比Bode更早)獨立地發現M81和M82的Johann Gottfried Koehler(或Köhler,1745-1801)最遲在這一年,發現了M67,1779年4月11日,在追蹤1779年Bode彗星時,發現了M59和M60。當Messier在這一天區另外發現了M58時,Barnabus Oriani(1752-1832)第一個發現了M61。Koehler在1779年發表了一份含有20個條目的星表。最後,Messier的朋友Pierre Mechain(梅襄)(1744-1804)開始了他的天文觀測生涯,在1779年6月14日發現了M63,這是第一個由他首先發現的天體。隨後,Mechain發現了約25個首次發現的天體,由於他與Charles Messier在觀測方面的密切合作,這些天體中的大部分列入了Messier星表之中。由於他確實將他所有的發現都告訴給Messier,因此1947年Helen Sawyer-Hogg決定將其中的另外三個天體也加入到Messier星表中(M105到M107)。

做為深空發現史上的一塊重要的里程碑,包括103個天體的Messier星表最終版本於1781年發表在1784年的法國天文年曆(Connaissance des Temps)上。最近,一些Messier個人筆記以及Mechain在1783年5月6日給Bernoulli的一封信中提到天體被擴充到Messier星表中,使天體總數達到110個,全部都是真實的天體(儘管有4個天體曾經失蹤了超過一個世紀,還有一些關於M102的爭論至今沒有定論)。星表中包括了1782年4月以前被人發現的大部分星雲,星團和星系,其中M107是Messier天體中最後一個被發現的天體(由Pierre Mechain發現)。

(圖)夏季星圖夏季星圖

Messier星表的確給偉大的德-英天文學家Friedrich Wilhelm (William) Herschel(威廉.赫歇耳)(1738-1822)留下了深刻的印象,當時他因為在1781年發現了海王星而逐漸出名。1781年12月7日,Herschel從他的朋友William Watson那裡得到了一份Messier星表的副本。當時他還是Bath的一名風琴演奏家(直到1782年5月他才放棄這一工作),和一名熟練的望遠鏡製造者。他在1789年8月28日組裝起一架48英寸口徑,40英尺焦距的巨型望遠鏡(利用這架鏡子觀測的第一天,他就發現了土星的一顆新衛星,土衛二),並且利用這架望遠鏡在英國可見的天區內(即北天)展開了大泛圍的搜索。分三步,Herschel發表了包含2500多個天體的星表,其中大部分都是真正的深空天體。他使用的是當時最好的望遠鏡,因此完全沒有競爭者。他的觀測是在他妹妹Caroline Lucretia Herschel(卡羅琳.赫歇耳)(1750-1848)的幫助下完成的,她自己也是一位熱情的觀測者,她發現了Herschel星表中的許多星團和星雲(其中包括了獨立重新發現的M110,即H V.18,Messier在10年前發現過的天體,但沒有被編入星表中;以及獨立重新發現的丟失的Messier疏散星團M48,即H VI.22),還發現了8顆彗星。

William Herschel將雲霧狀天體分成八類: 亮星雲 暗星雲 極暗星雲 行星狀星雲 超大星雲 非常緻密的富星星團 由大小(即 明暗)恆星組成的緻密星團由恆星組成的鬆散稀疏的星團 由於當時還不清楚這些天體的本質,因此這種分類法在今天只具有更多的歷史意義了。

(圖)天體運動天體運動

William(和Caroline) Herschel事實上在1800年前後就將北天幾乎全部的天體都發現了。但南半球的天區還等著人們去探索,James Dunlop(1795-1848)在南半球進行了Lacaille之後的首次大規模觀測。他和Thomas Makdougall Brisbane爵士(位於Paramatta的Brisbane天文台(1823-1827)的擁有者)一起在1821年來到了澳大利亞的新南威爾士,在那裡編寫了一份星圖(布里斯班星表(Brisbane Catalog),包含南天7000多顆恆星)。他將當時發現的深空天體編成了一份包含629個條目的《新南威爾士觀測的南天星雲星團表》。這份星表被交給William 赫歇爾的兒子,John Herschel(約翰.赫歇耳),並由他在1827年在皇家學會中公布。由於這項工作,Dunlop獲得了皇家天文學會的金獎,以及法國科學院的Lalander獎。然後,這些獎項並不能掩蓋他星表中大量「不存在」的天體,以及對天體的糟糕描述,以至於後來幾乎無法確切地認證它們:只有大約一半的條目可以與真實的天體相聯繫。

John Frederick William (John) Herschel(約翰.赫歇耳)(1792-1871)繼承了父親的工作,在1833年出版的星表中增加了525個新條目(北天天體)。但是John Herschel也想編寫南天星表,1883年11月13日,他和他的家人登上了開往南非好望角的客輪,於1834年3月4日抵達目的地。在接下來的日子裡,他著重研究南天星空。他將觀測到的南天雲霧狀天體編寫成了一份包括1713個條目的星表,在1847年發表。顯然地,他將他和他父親的發現,以及其他人發現的深空天體編進了他的那份包含了5000多個條目的總星表(General Catalogue)中。

Herschel的工作最終給「星雲」(和星團)的大發現時代做了一個總結。然而,揭露不同的深空天體的本質還需要很長時間,需要新的研究方法(尤其是照相術和光譜分析術):「真正」星雲的雲霧本質是由英國業餘天文學家,光譜分析術的先驅者William Huggins(1824-1910)在1860年代揭示的,直到1920年代,Edwin Hubble(埃德溫.哈勃)(1889-1953)才真正揭示出星系的本質實際上是與我們的銀河系一樣的獨立的「島宇宙」。

3 天體 -相對位置

(圖)天體天體

天體在某一天球坐標系中的坐標,通常指它在赤道坐標系中的坐標(赤經和赤緯)。由於赤道坐標系的基本平面(赤道面)和主點(春分點)因歲差、章動而隨時間改變,天體的赤經和赤緯也隨之改變。此外,地球上的觀測者觀測到的天體的坐標也因天體的自行和觀測者所在的地球相對於天體的空間運動和位置的不同而不同。

天體的位置有如下幾種定義:

1、平位置。只考慮歲差運動的赤道面和春分點稱為平赤道和平春分點,由它們定義的坐標系稱為平赤道坐標系,參考於這一坐標系計量的赤經 和赤緯稱為平位置。

2、真位置。進一步考慮相對於平赤道和平春分點作章動的赤道面和春分點稱為真赤道和真春分點,由它們定義的坐標系稱為真赤道坐標系,參考於這一坐標系計量的赤經和赤緯稱為真位置。平位置和真位置均隨時間而變化,而與地球的空間運動速度和方向以及與天體的相對位置無關。

3、視位置。考慮到觀測瞬時地球相對於天體的上述空間因素,對天體的真位置改正光行差和視差影響所得的位置稱為視位置 。視位置相當於觀測者在假想無大氣的地球上直接測量得到的觀測瞬時的赤道坐標。星表中列出的天體位置 通 常 是相對於某一個選定瞬 時(稱為星表曆元)的平位置。

要得到觀測瞬時的視位置需要加上:1、由星表曆元到觀測瞬時歲差和自行改正。2、觀測瞬時的章動改正。3、觀測瞬時的光行差和視差改正。

4 天體 -空間距離

(圖)天體天體

地球上的觀測者至天體的空間距離。不同類型的天體距離遠近相差十分懸殊,測量的方法也各不相同。

1、太陽系內的天體是最近的一類天體,可用三角測量法測定月球和行星的周日地平視差;並根據天體力學理論進而求得太陽視差。也可用向月球或大行星發射無線電脈衝或向月球發射激光,然後接收從它們表面反射的回波,記錄電波往返時刻而直接推算天體距離。

2、對於太陽系外的較近天體,三角視差法只對離太陽 100 秒差距範圍以內的恆星適用。更遠的恆星三角視差太小,無法測定,要用其他方法間接測定其距離。主要有:分析恆星光譜的某些譜線以估計恆星的絕對星等,然後通過恆星的絕對星等與視星等的比較求其距離 ;分析恆星光譜中星際吸收線強弱來估算恆星的距離;利用目視雙星的繞轉周期和軌道張角的觀測值來推算其距離;通過測定移動星團的輻射點位置以及成員星的自行和視向速度來推算該星團的距離;對於具有某種共同特徵的一群恆星根據其自行平均值估計這群星的平均距離;利用銀河系較差自轉與恆星視向速度有關的原理從視向速度測定值求星群平均距離。

3、對於太陽系外的遠天體測量距離的方法主要有:利用天琴座RR型變星觀測到的視星等值;利用造父變星的周光關係;利用球狀星團或星系的角直徑測定值;利用待測星團的主序星與已知恆星的主序星的比較;利用觀測到的新星或超新星的最大視星等;利用觀測到的河外星系裡亮星的平均視星等;利用觀測到的球狀星團的累積視星等;利用星系的譜線紅移量和哈勃定律等。

5 天體 -形狀探究

(圖)天體天體

天體的形狀和自轉 由於天體不是質點,具有一定的大小和形狀,天體內部質點之間的相互吸引和自轉離心力使得天體的形狀和內部物質密度分佈產生變化,同時也對天體的自轉運動產生影響。天體的形狀和自轉理論主要是研究在萬有引力作用下天體的形狀和自轉運動的規律。

在天體的形狀理論中,通常把天體看作不可壓縮的流體,討論天體在均勻或不均勻密度分佈情況下自轉時的平衡形態及其穩定性問題。目前研究得最深入的是地球的形狀理論 ,建立了平衡形狀的旋轉橢球體,三軸橢球體等等地球模型 。現在利用專用於地球測量的人造衛星所得的資料,正在與地面大地測量的結果相配合,以建立更精確的地球模型。天體的自轉理論,主要是討論天體的自轉軸在空間和本體內部的移動以及自轉速率的變化。其中,地球的自轉理論現已討論得十分詳細。地球的自轉軸在本體內部的運動形成地極移動(見極移);同時,地球自轉軸在空間的取向也是變化的(見歲差,章動)。地球自轉的速率也在變化,它既有長期變慢,使恆星日的長度每100年約增加1/1000秒左右,又有一些短周期變化和不規則變化。

6 天體 -周日運動

(圖)天體天體運動

星星在天上每日旋轉一圈,這運動稱為周日運動。把地球自轉軸延伸到天球上的位置,就是天球的北極和南極。把地球的赤道伸延到天球上的位置,就是天球赤道了。

有一顆2等星非常接近天球北極,所以看來似乎永遠靜止不動,其它的星就好像繞著他旋轉。我們稱這顆星為北極星。因為北極星看來永遠靜止不動停留在正北方及不會下山,所以我們像居住在北半球的人便可以利用北極星來辨別方向。可惜的是,天球南極附近沒有光星,所以沒有「南」極星為南半球居民引路。

北極星相對於地面的高度取決於觀測者所在地的緯度,例如在北京,北極星會在正北,離地面40 度;在北極,北極星會在頭頂(天頂);在赤道的地方,北極星剛好躺在水平線上;而在南半球,北極星是永遠不會升出地平在線,所以在南半球是永遠看不到北極星。

同樣道理,有些星永遠不會東升。居住在北半球的人永遠看不到接近南天極的星,而居住在南半球的人同樣也看不到接近北天極的星。

天體天體

天體天體

以上三幅模擬圖例顯示在北半球可以見到的恆星運動,第一幅指向天球北極方向(你會發現其實北極星並不是完全固定不動的) ,第二及第三幅分別指向南方及東方。

7 天體 -宇宙的起源

(圖)恆星的形成恆星的形成
起源

千百年來,科學家們一直在探尋宇宙是什麼時候、如何形成的。直到今天,科學家們才確信,宇宙是由大約150億年前發生的一次大爆炸形成的。

在爆炸發生之前,宇宙內的所存物質和能量都聚集到了一起,並濃縮成很小的體積,溫度極高,密度極大,之後發生了大爆炸。

大爆炸使物質四散出擊,宇宙空間不斷膨脹,溫度也相應下降,後來相繼出現在宇宙中的所有星系、恆星、行星乃至生命,都是在這種不斷膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。然而,大爆炸而產生宇宙的理論尚不能確切地解釋,「在所存物質和能量聚集在一點上」之前到底存在著什麼東西? 「大爆炸理論」是伽莫夫於1946年創建的。


 

恆星的形成

 

(圖)太陽系太陽系

1、恆星世界

凡是由熾熱氣態物質組成,能自行發熱發光的球形或接近球形的天體都可以稱為恆星。
自古以來,為了便於說明研究對象在天空中的位置,都把天空的星斗劃分為若干區域,在中國春秋戰國時代,就把星空劃分為三垣四象二十八宿,在西方,巴比倫和古希臘把較亮的星劃分成若干個星座,並以神話中的人物或動物為星座命名。

1928年國際天文學聯合會確定全天分為88個星座。宇宙空間中估計有數以萬億計的恆星,看上去好象都是差不多大小的亮點,但它們之間有很大的差別,恆星最小的質量大約為太陽的百分之幾,最大的約有太陽的幾十倍。
由於每顆恆星的表面溫度不同,它發出的光的顏色也不同。科學家們依光譜特徵對恆星進行分類,光譜相同的恆星其表面溫度和物質構成均相同。
   
恆星的壽命也不一樣,大質量恆星含氫多,它們中心的溫度比小質量恆星高的多,其蘊藏的能量消耗比小的更快,故過早地戕折,只能存活100萬年,而小質量恆星的壽命要長達一萬億年.
恆星有半數以上不是單個存在的,它們往往組成大大小小的集團。其中兩個在一起的叫雙星,三、五成群的叫聚星,幾十、幾百甚至成千上萬個彼此糾集成團的叫做星團,聯繫比較鬆散的叫星協。

2、太陽系

是由受太陽引力約束的天體組成的系統,它的最大範圍約可延伸到1光年以外。太陽系的主要成員有:太陽(恆星)、九大行星(包括地球)、無數小行星、眾多衛星(包括月亮),還有彗星、流星體以及大量塵埃物質和稀薄的氣態物質.在太陽系中,太陽的質量占太陽系總質量的99.8%,其它天體的總和不到有太陽的0.2%。太陽是中心天體,它的引力控制著整個太陽系,使其它天體繞太陽公轉,太陽系中的九大行星(水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星)都在接近同一平面的近圓軌道上,朝同一方向繞太陽公轉。

(圖)天體天體

九大行星中,一般把水星、金星、地球和火星稱為類地行星,它們的共同特點是其主要由石質和鐵質構成,半徑和質量較小,但密度較高。把木星、土星、天王星和海王星稱為類木行星,它們的共同特點是其主要由氫、氦、冰、甲烷、氨等構成,石質和鐵質只佔極小的比例,它們的質量和半徑均遠大於地球,但密度卻較低。冥王星是特殊的一顆行星。 行星離太陽的距離具有規律性,即從離太陽由近到遠計算,行星到太陽的距離(用a表示)a=0.4+0.3*2n-2(天文單位)其中n表示由近到遠第n個行星(詳見上表) 地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自轉周期為12小時到一天左右,但水星、金星、冥王星自轉周期很長,分別為58.65天、243天和6.387天,多數行星的自轉方向和公轉方向相同,但金星則相反。 除了水星和金星,其它行星都有衛星繞轉,構成衛星系。

在太陽系中,現已發現1600多顆彗星,大多數彗星是朝同一方向繞太陽公轉,但也有逆向公轉的。彗星繞太陽運行中呈現奇特的形狀變化。 太陽系中還有數量眾多的大小流星體,有些流星體是成群的,這些流星群是彗星瓦解的產物。大流星體降落到地面成為隕石。 太陽系是銀河系的極微小部分,它只是銀河系中上千億個恆星中的一個,它離銀河系中心約8.5千秒差距,即不到3萬光年。太陽帶著整個太陽系繞銀河系中心轉動。可見,太陽系不在宇宙中心,也不在銀河系中心。 太陽是50億年前由星際雲瓦解后的一團小雲塌縮而成的,它的壽命約為100億年。

8 天體 -天球

(圖)天球投影天球投影

我們站在地球上仰望星空,看到天上的星星好像都離我們一樣遠。星星就好像鑲嵌在一個圓形天幕上的寶石。

實際星星和我們的距離有遠有近,我們看到的是它們在這個巨大的圓球球面上的投影,這個假想的圓球就稱為天球,它的半徑是無限大。而地球就懸挂在這個天球中央。

星星在天空中移動的方向並不是雜亂無章的,而且星座的形狀並不會改變。星星從東方的地平線爬上來,爬到最高點(中天),然後往西方沉下去。看起來就像整個天球圍繞著地球旋轉一樣。相信大家都明白,地球並不是宇宙的中心,星體並不會繞著地球轉。星體在天空中繞著我們旋轉,是因為地球自轉而產生的錯覺,天球本身是不會移動的。我們身在地球中,並不會感覺自己在轉動的,就好像我們乘坐火車時看見窗外的景物向後移動,而並不感覺到自己在移動中。


天球上的坐標系統
(圖)天體天體


為了準確形容天上星體的位置,天文學家制訂了一套坐標系統來標示星體在天球上的位置。 這套坐標系統和地球上慣用的經緯度坐標十分相似。


這套坐標系統把天球分為赤緯及赤經。赤緯的演算法是從天球赤道開始至兩極止,天球赤道是0度,向北至天球北極是+90 度, 向南至天球南極是 -90 度。赤經的演算法較特別,和地球經度(由-180度至+180度)的演算法不同, 赤經是在天球赤道自西向東由0小時至24 小時。和時間一樣,赤經的每小時可分為60分,每分可再細分為60秒(註:赤經的分秒並不等如角度用的角分角秒) 。赤經計算的起點為春分點,春分點是天球赤道和黃道的兩個相交點其中一個(另一個是秋分點)。 
 
像轉動中的陀螺一樣,地球的自轉軸在太空中其實並不固定,而是以26000年的周期在轉動,這個運動稱為歲差,所以,春分點和天球北極的位置亦會非常緩慢地移動。所以,當我們使用天球坐標來標示天體的位置時,應該同時指出是哪一年的坐標,例如公元2000.0年。 

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